ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACIÓN “MEDICIONES FOTOPLETISMOGRÁFICAS” INFORME DE MATERIA DE GRADUACIÓN Previo a la obtención del título de: INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES PRESENTADO POR: GALO GABRIEL CELI ORRALA MARÍA LISSETTE ROCHA CABRERA
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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
FACULTAD DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD Y COMPUTACIÓN
“MEDICIONES FOTOPLETISMOGRÁFICAS”
INFORME DE MATERIA DE GRADUACIÓN
Previo a la obtención del título de:
INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
PRESENTADO POR:
GALO GABRIEL CELI ORRALA
MARÍA LISSETTE ROCHA CABRERA
Guayaquil – Ecuador
2011
AGRADECIMIENTO
A Dios por darnos fortaleza, a nuestras
familias que siempre estuvieron
apoyándonos en el transcurso de la vida
universitaria, al Ing. Miguel Yapur por la
guía prestada en el desarrollo de este
proyecto y a todas aquellas personas que
una u otra manera colaboraron para la
realización de este trabajo, nuestro más
sincero agradecimiento.
DEDICATORIA
A mis padres por el apoyo incondicional a
lo largo de mis años de vida universitaria, a
todos los profesores que en el transcurso
de la carrera supieron brindarme sus
valiosos conocimientos y a todas las
personas que confiaron en mí.
Galo Celi
A mis padres por el apoyo y comprensión
que siempre me han brindado, a mis
hermanos que me impulsan a seguir
adelante y a las personas que han estado
conmigo en esta etapa importante de mi
vida.
Lissette Rocha
TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN
-------------------------------------Ing. Miguel Yapur
PROFESOR DE LA MATERIA
-------------------------------------Ing. Carlos Salazar
DELEGADO DEL DECANO
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de este trabajo de Grado, nos corresponde
exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la ESCUELA
SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL”
(Reglamento de Graduación de la ESPOL)
------------------------------------- -------------------------------------Galo Gabriel Celi Orrala. María Lissette Rocha Cabrera.
I
RESUMEN
El presente trabajo trata sobre el manejo e implementación de un
fotopletismógrafo, el cual permite sensar el ritmo cardiaco de una persona.
Para su funcionamiento, se utilizan diferentes etapas de filtrado y
amplificación de la señal muestreada.
El fotopletismógrafo es un instrumento muy utilizado para la adquisición de
signos vitales de un paciente. Con el fotopletismógrafo se monitorea de
forma no invasiva la presión sanguínea; su funcionamiento se basa en la
absorción diferencial de la luz reflejada desde los capilares del dedo hacia el
fototransistor.
Para la implementación se utilizó herramientas de Electrónica Básica,
conceptos de programación y un entorno gráfico de Labview.
II
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN………………………………………………………………I
ÍNDICE GENERAL....…………………...…………………………….II
ÍNDICE DE FIGURAS...................................................................IV
ÍNDICE DE TABLAS.....................................................................IX
Aprovechando la fuente de poder de +12V que se utiliza casi de forma
general, se aplica un divisor de voltaje con los resistores R23 y R24
para obtener un valor fijo de +7V, esto se visualiza en la figura 3.9.
La fuente se la utilizará en las etapas de adecuación de la señal Vo1.
40
Figura 3.9 Fuente de 7V.
3.10 Adecuación de la señal Vo1
Como el PIC solo permite voltajes positivos y la señal Vo1 tiene
partes negativas, es necesario adecuar la señal de tal manera que
siempre su menor valor llegue a ser 0V. Para la corrección de los
valores negativos de la señal Vo1 se suma un voltaje offset de
2.5V con una configuración sumador no inversor, tal como se
muestra en la figura 3.10.
Para el perfecto funcionamiento del PIC el rango de voltaje debe
estar entre 2-5.5V. Si se utiliza +12V podría existir picos de voltajes
que saturen el PIC, al polarizarlo con 7V y contando la perdida de
voltaje de 1V que hay en el Opamp y 0.7V en el diodo queda un
voltaje de 5.3V que está dentro del rango del PIC.
La señal resultante de la adecuación será VG y está lista para ser
digitalizada y enviada al osciloscopio virtual.
41
Figura 3.10 Adecuación de la señal Vo1.
3.11 Digitalización de Señal Vo1 y Vo2
Como se puede apreciar en la figura 3.11, se muestran las
entradas y salidas del microcontrolador 16F886. Los puertos 0 y 1
del registro RA serán las entradas analógicas de las señales VG y
Vo2 respectivamente. El LED conectado al puerto 2 del registro RA
indicará el correcto funcionamiento del PIC.
La salida digitalizada será por el puerto 6 del registro RC e irá al
módulo convertidor de serial a USB como VH.
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Figura 3.11 Digitalización de la Señal Vo1 y Vo2.
3.11.1 Código del PIC
El siguiente código digitaliza las señales analógicas Vo1 y Vo2,
se inicia definiendo las variables: V01 y V02 de tipo byte, tx_V01
y tx_V02 de tipo string.
A continuación en el main se establece la velocidad del oscilador
interno, se define los puertos a utilizar.
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Para la visualización del LED indicador del funcionamiento del
PIC se define un retardo de 100ms y su correspondiente puerto
de salida.
La función Adc_Read lee el puerto especificado de entrada
analógico, lo digitaliza y entrega una trama de 10 bites,
descartando los 2 menos significativos.
La función ByteToStr convierte los datos de tipo byte a string ya
que Labview trabaja con datos tipo string.
La función USART_Write permite enviar los datos vía serial, en
el código se inicia enviando la letra “a” y luego el string que
representa a Vo1, seguido de la letra “b” y el string que
representa a Vo2. Se culmina con un retardo de 20ms.
A continuación se muestra el código del microcontrolador
16F886.
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programCodigoDigitalizador
dim VO1,VO2 as bytedim tx_VO1,tx_VO2 as string[4]
main:
OSCCON=%01110101 'DEFINE LA VELOCIDAD DEL OSCILADOR INTERNO EN 8MHZOPTION_REG=$80intcon=0ANSEL=%01100000 'DEFINE ENTRADAS ANALOGICAS Y SALIDAS DIGITALESANSELH=0CM2CON0=0
TRISA=%00000000 'SE INICIALIZA LOS PUERTOS COMO ENTRADASTRISB=0TRISC=%10000000 'SE INICIALIZA COMO PUERTO DE ENTRADA Y SALIDATRISE=%00000011 'SE INICIALIZA COMO PUERTO DE ENTRADA Y SALIDAVO1=0VO2=0
Usart_Init(19200) 'Initialize USART module
Delay_ms(100) 'RETARDO PARA EL LED INDICADORportA.2=1Delay_ms(100)portA.2=0Delay_ms(100)portA.2=1Delay_ms(100)portA.2=0Delay_ms(100)portA.2=1
WHILE(1)
VO1 = Adc_Read(5)>>2VO2=Adc_Read(6)>>2
ByteToStr(VO1 ,tx_VO1 ) 'CONVIERTE V01 EN STRING Y GUARDA EN tx_V01ByteToStr(VO2 ,tx_VO2)
USART_Write(97) '97 ES EL CODIGO ASCII DE LA LETRA “a”Usart_Write_Text(tx_VO1)USART_Write (98) '98 ES EL CODIGO ASCII DE LA LETRA “b”Usart_Write_Text(tx_VO2)Delay_ms(20)
45
WENDend.
3.12 Convertidor Serial a USB
Para la transmisión de los datos se utiliza el módulo USB-USART
de la figura 3.12.1, el cual permite la comunicación serial por
puerto USB para hacer interface con una computadora o PC. La
transferencia de datos se da a 19200 Baudios.
Figura 3.12.1 Módulo USB-USART.
La señal digital que viene del PIC, VH, entra al pin Rx del módulo
USB-USART y la resultante es transmitida por el puerto mini-USB
hacia el computador mediante un cable como se muestra en la
figura 3.12.2.
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Figura 3.12.2 Convertidor Serial a USB.
3.13 Interfaz Gráfica
Para la presentación de la señal de presión cardíaca en el
computador se utiliza el entorno gráfico de Labview, figura 3.13.
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Figura 3.13 Programación en Labview.
A continuación se procederá a explicar detalladamente cada parte de
la programación, cabe recalcar que Labview se ejecuta de forma
recurrente y no secuencial.
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La figura 3.13.1 muestra el bloque Visa Serial, el cual recibe
los parámetros para configurar el puerto serial que pueden
ser modificados por el usuario.
Figura 3.13.1 Puerto de Configuración Serial Visa.
En la figura 3.13.2 se muestran primeramente el bloque
Bytes at Port que recibe todo tipo de dato que ingresa al
puerto serial; a continuación se encuentra el bloque VISA
Read, el cual lee los datos ingresados por puerto serial.
Por último se tiene el bloque VISA Close, que cancela la
comunicación del puerto serial y el programa en el caso que
49
exista una señal de error proveniente del puerto serial,
aunque también se puede cancelar la comunicación
utilizando el botón STOP.
Figura 3.13.2 Ingreso y lectura de datos al puerto serial.
Después de recibir y leer los datos de tipo String, pasan al
bloque Match True/False String que espera el envío del
String “a” que fue establecido en la programación del PIC,
ya que este indica el inicio de la información de Vo1. El
bloque envía una señal booleana que será TRUE si se
50
detecta el String “a” y FALSE en el caso contrario, además
de un String que permitirá obtener Vo2.
En la figura 3.13.3 se muestra el bloque cuando el detector
retorna TRUE, el bloque Scanfrom String escanea los datos,
los envía de tipo decimal con niveles que van de 0-255 y los
guarda en la salida Output 2.
Figura 3.13.3 Opción TRUE del detector de String.
Si el detector retorna FALSE, se mantendrá el dato anterior,
y se guardara en la salida Output 1, tal como se muestra en
la figura 3.13.4.
51
Figura 3.13.4 Opción FALSE del detector de String.
Después de obtener la señal Output 1 u Output 2, se pasa a
un bloque donde se obtiene el promedio; cualquiera que
sea la señal resultante del bloque anterior se sumará con el
último valor de Output 2, será dividida para 2 y se guardará
en la salida Output 1.
El promedio evitará que existan grandes saltos cuando se
pierdan datos, además se guarda el último dato en Output 1
porque esta es la información que se obtiene del bloque
anterior cuando del puerto serial no llega información.
Con el promedio se realizará el proceso inverso a la
digitalización; los valores de los datos serán divididos para
255 y multiplicados por 5, de esta manera se obtendrá
52
valores de voltaje entre 0-5V. Luego se resta el voltaje offset
que el usuario establezca.
Se visualiza en la figura 3.13.5 que la señal es introducida a
un filtro pasa-bajo con frecuencia de corte de 10Hz para
suavizarla y ser mostrada en la pantalla principal.
Figura 3.13.5 Convertidor de niveles a voltaje.
En la figura 3.13.6 se observa que el procedimiento para
recuperar el dato de Vo2 es similar al descrito para Vo1, con
la diferencia que en el bloque Match True/False String
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espera el envío del String “b” que fue establecido como
inicio de la información de Vo2.
La señal llega del bloque del que se obtuvo Vo1 y como se
ejecuta de forma concurrente ambas señales podrán ser
procesadas de manera simultánea.
Otra diferencia con la obtención de Vo1 es que ya no resulta
necesario sacar el promedio de la salida del Case Structure
y simplemente se divide para 255, además de multiplicar
para 5 para obtener los voltajes.
54
Figura 3.13.6 Obtención de Vo2.
Con el valor de voltaje de Vo2 se procede a comparar con 2, de
esta manera sabremos si la señal se encuentra en un flanco alto
o bajo. En caso de ser menor a 2 se ingresa a la opción FALSE
que se muestra en la figura 3.13.7; aquí se tiene un contador
inicializado en 0 para saber cuánto tiempo dura el nivel bajo, en
caso de que el contador llegue a un valor mayor a 300 (que
representa a 3seg ya que el retardo está en 10mseg) se encera
Output 5. Si Output 7 es igual a 1 se asigna a Output 8 el valor de
2, caso contrario Output 8 se mantiene en 0.
55
Figura 3.13.7 Contador de Flanco Bajo.
Para la figura 3.13.8 se tiene que Vo2 es mayor o igual a 2 e
ingresa a la opción TRUE. Aquí también se realiza un
conteo para saber el tiempo que dura el flanco alto, se va
incrementando la salida Output 4 y se asigna a Output 7 el
valor de 1 que se refleja en la parte de FALSE.
56
Figura 3.13.8 Contador de Flanco Alto
Se visualiza en la figura 3.13.9 que si el valor de Output 8 es igual
a 2 ingresará al módulo del cual se obtendrá el valor de la
frecuencia cardíaca. Se suma el valor de Output 4 y Output 5 para
tener el periodo de duración de un latido de corazón, se multiplica
por el valor de retardo que ingresa el usuario. Se divide para 1000
para obtener el valor en segundos, el mismo que será comparado
con 0 y si resulta ser mayor se sacará el inverso para obtener su
frecuencia en Hz. Luego multiplicamos el resultado por 60 para
obtener la Frecuencia Cardíaca en latidos por minuto (Bpm).
57
Figura 3.13.9 Obtención de la frecuencia Cardíaca
CAPITULO 4
EXPERIMENTACIÓN
Después de describir las etapas tanto del diagrama circuital como la interfaz
gráfica del Fotopletismógrafo, este capítulo se enfoca en las pruebas
realizadas al sistema y la descripción de los resultados obtenidos.
Se realizará un seguimiento de la señal de entrada hasta ser mostrada en la
interfaz gráfica.
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4.1 Infraestructura
Los materiales empleados para la implementación del
Fotopletismógrafo son los siguientes:
Tabla II
Lista de Materiales
ELEMENTO CANTIDAD NOMBRE
Laptop Hp 1
Resistor de 470Ω 3 Ra, R22, R32
Resistor de 1KΩ 4 Rb, R5, R17, R19
Potenciómetro de Precisión de 10KΩ 2 RV1, RV2
Resistor de 4.7MΩ 2 R1, R2
Resistor de 5.6KΩ 1 R3
Resistor de 10KΩ 10
R4, R10, R14, R18,
R23, R27, R28,
R29, R30, R31
Capacitor de 100nF 8C1, C2, C7, C8, C9,
C10, C11, C12
Resistor de 100KΩ 2 R6, R21
Resistor de 150KΩ 5R7, R8, R11, R12,
R15
Resistor de 1.5KΩ 1 R9
Resistor de 13KΩ 2 R13, R24
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Resistor de 470KΩ 1 R16
Resistor de 560Ω 1 R20
Diodo 1N4148 2 D2, D4
Diodo 1N4728A 1 D1
Capacitor 10μF-50V 1 C13
Diodo LED 2 D3, D5
Transistor 2N3904 1 Q1
Resistor de 39KΩ 2 R25, R26
TL082 5 U1, U2, U3,U6, U8
LM311P 1 U4
74LS123 1 U5
PIC 16F886 1 PIC
Módulo USB-USART 1 US1
Optoacoplador Infrarrojo 1 RPR1
Cable miniUSB-USB 1
Cable 3 pines 1
Fuente de Poder 1 +12V, -12V, +5V
4.2 Funcionalidad del Sistema
60
En esta sección se muestra como la señal obtenida a través del
Optoacoplador es procesada por las diferentes etapas del diagrama
circuital, para la obtención de Vo1 y Vo2.
La señal que se aprecia en la figura 4.1 se la obtiene a la salida del
filtro pasa-alto, se observa que la señal resultante aún contiene ruido
que no permite su correcta visualización.
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Figura 4.1 Salida del Filtro Paso-Alto
Como la señal fisiológica es pequeña, requiere ser amplificada tal
como se muestra en la figura 4.2.
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Figura 4.2 Salida de Amplificador de Ganancia
Para eliminar las frecuencias altas que impiden la correcta
visualización de la señal, se procede aplicar un filtro pasa-bajo de
cuarto orden; la señal que resulta será Vo1, se lo puede ver en la
figura 4.3.
Figura 4.3 Señal Vo1
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La salida del diferenciador será una señal parecida al complejo pqrst,
figura 4.4. Aquí se aprecia la señal real comparada con la ideal.
Figura 4.4 Salida del Diferenciador
El comparador nos da una señal como nos muestra en la figura 4.5
Figura 4.5 Salida del comparador
La señal Vo2 es la salida del multivibrador monoestable y estará entre
0 y 5V, figura 4.6.
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Figura 4.6 Señal de Vo2
4.3 Pruebas y Resultados
Una vez acoplado el circuito y el computador a través del puerto USB
de la misma, el Fotopletismógrafo está listo para realizar las diferentes
pruebas de funcionamiento.
Al variar la frecuencia de corte del filtro pasa-bajo de la interfaz gráfica
de Labview, se puede suavizar la señal de la presión sanguínea Vo1.
En los siguientes gráficos se presenta la señal Vo1 con diferentes
frecuencias de corte.
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Si la frecuencia de corte del filtro pasa-bajo de la interfaz gráfica
de Labview es de 5Hz, se tiene la gráfica de la figura 4.7.
Figura 4.7 Presión Sanguínea con fc = 5Hz.
66
Si la frecuencia de corte del filtro pasa-bajo de la interfaz gráfica
de Labview es de 7Hz, figura 4.8.
Figura 4.8 Presión Sanguínea con fc = 7Hz.
67
Si la frecuencia de corte del filtro pasa-bajo de la interfaz gráfica
es de 8Hz, se tiene la figura 4.9.
Figura 4.9 Presión Sanguínea con fc = 8Hz.
68
De acuerdo a las pruebas realizadas se pudo establecer que la
frecuencia de corte adecuada del filtro pasa-bajo de la interfaz gráfica
de Labview es fc=8Hz.
Los resultados obtenidos fueron los esperados ya que el valor de la
frecuencia cardíaca, que se aprecia en las figuras anteriores, está
dentro del rango normal de una persona adulta.
En caso de que se deseara recuperar la señal original antes de ser
digitalizada, lo único que se debe variar es el voltaje de offset a 2.5V
compensando de esta manera el valor que se sumó durante la
adecuación, previo a su digitalización.
CONCLUSIONES
Se desarrolló un sistema capaz de presentar la señal de la presión
sanguínea y medir la frecuencia cardíaca a través de la obtención de la señal
fisiológica del dedo.
Después de realizar diferentes pruebas, se puede concluir lo siguiente:
1. Las mediciones no invasivas funcionan de gran manera, y son una
herramienta bastante útil para la medición de signos vitales, los cuales
son de gran ayuda para un rápido diagnóstico médico. Aunque su
fiabilidad no se compara con las mediciones invasivas.
2. Con cada ciclo cardíaco se bombea sangre a la periferia, pero la
presión ejercida en los capilares es algo amortiguada por el tiempo en
que llega hasta ahí; a pesar de esto es suficiente para dilatar las
arterias y arteriolas, permitiendo captar la señal y realizar la respectiva
medición.
3. La adquisición de la señal fisiológica a través del dedo con el Opto-
acoplador infrarrojo reduce en gran medida el ruido producido por la
luz visible, pruebas realizadas con otro tipo de Opto-acoplador
producía muchos problemas al captar la señal por el ruido antes
mencionado.
4. La utilización de filtros en el proyecto es indispensable para eliminar
los ruidos presentes en la medición al momento de adquirir la señal; el
fotopletismógrafo opera en su diseño circuital de 0.3-10.6 Hz, con este
rango de frecuencia se asegura la disminución de los ruidos
ocasionados por los movimientos en el dedo (ruido de baja frecuencia)
y los que son producidos por la luz visible.
5. La señal Vo1 es muestreada muy rápidamente; con el fin de que la
señal resultante visualizada en el computador sea lo más parecida a
Vo1, se debe reducir las pérdidas y optimizar la digitalización; para
esto, debe existir un sincronismo entre el envío y recepción de los
datos desde el PIC hasta la interfaz grafica.
6. Comercialmente podemos encontrar dispositivos similares y de mucho
menor tamaño; para su comprensión, en el presente proyecto se
explica etapa por etapa el procesamiento de la señal desde su
obtención hasta la presentación de la misma, con el fin de orientar
académicamente el estudio de esta aplicación de la Electrónica
Médica.
7. Finalmente, se ha implementado el fotopletismógrafo con la ayuda de
conceptos elementales de presión sanguínea y configuraciones de
Electrónica Básica; luego de realizar varias pruebas y de acuerdo a
las mediciones obtenidas, se puede decir que el fotopletismógrafo
entrega resultados bastante confiables y las señales de ruidos
presentes en las mediciones, se han reducido lo mayormente posible.
RECOMENDACIONES
A lo largo de la implementación del circuito y la interfaz gráfica que da como
resultado el Fotopletismógrafo se encontraron muchas dificultades, es por
ello que a continuación se detallará algunas sugerencias que ayudarán al
perfecto funcionamiento de esta herramienta:
1. El potenciómetro de precisión en la etapa del Opto-acoplador debe
estar debidamente calibrado, de esta manera asegurar la obtención de
la señal fisiológica.
2. Al momento de tomar mediciones, el dedo debe ser ubicado en el
Opto-acoplador sin presionarlo demasiado, ya que al no hacerlo de
esta manera se obtendrá una señal errónea.
3. El muestreo que se realiza en la interfaz gráfica de Labview tiene que
ser más rápido del que se realiza en el PIC, ya que de esta manera la
señal será menos recortada y mucho más confiable.
4. Verificar con que COM está trabajando el puerto USB escogido para la
transmisión de datos, ya que este parámetro puede incidir para que la
interfaz gráfica no muestre dato alguno.
5. Comprobar que la frecuencia de corte del filtro pasa-bajo de la interfaz
gráfica de Labview este fijado en 8 Hz, ya que con este valor se
obtuvo los mejores resultados de acuerdo a las diferentes pruebas
realizadas.
APÉNDICE
APÉNDICE A
DISEÑO DE PISTAS
APÉNDICE B
DISTRIBUCIÓN DE PINES DEL PIC 16F886
BIBLIOGRAFÍA
1. Sociedad Ecuatoria de Medicina Familiar, La hipertensión,